Разработка и исследование свойств гетероструктур InGaAsP/InP для когерентных излучателей с ламбда-1,3мкм тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.£

ГЛАВА. I. МЕТОДЫ ПОЛУЯЕШЯ ГЕТЕРОЛАЗЕРОВ В СИСТЕМЕ ЪгёаАбР

ИХ СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ (ОБЗОР).

1.1. Получение и свойства твердых растворов МаАвР, изопериодических с 1пР.

1.1.1. Общая характеристика системы.

1.1.2. Расчет фазовой диаграммы.Ю

1.1.3. Особенности получения твердых растворов 1гйаА$Р методом жидкофазовой эпитаксии

1.1.4. Легирование 1пР и твердых растворов 1п£аА$Р

1.1.5. Другие методы получения твердых растворов ГпСаАвР . . 4б

1.2. Свойства и параметры гетеролазеров в системе 1пСаА$Р/1пР.

1.2.1. Лазеры с широким контактом.

1.2.2. Полосковые гетеролазеры.

Г.З. Выводы

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕТЕРОЛАЗЕРОВ В СИСТЕМЕ

1пСаА$Р/1пР. МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ.

2;Т. Получение слоев 1пР и твердых растворов 1пСаА$Р методом жидкофазовой эпитаксии.

2.2. Получение слоев 1пР эпитаксией из газовой фазы

2.3. Методика изготовления гетероструктур.

2.4* Методика изготовления полосковых гетеролазеров

2.4.1. Полосковые гетеролазеры, полученные ионной имплантацией

2.4.2. Зарощенные мезаполосковые гетеролазеры, полученные гибридной технологией.

2.5. Методики измерений.

2.5.1. Методика исследования фото- и электролюминесценции

2.5.2. Методики определения состава слоев твердых растворов

1п&аАзР, положения р-п-перехода, толщин слоев . . . 95 2.5.3. Методика определения несоответствия параметров решеток и различия коэффициентов термического расширения слоя и подложки в гетероструктурах

1л£аА5Р/1пР.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ ПРИ ЖИДК0ФА30В0Й ЭПИТАКСИИ И КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ В СИСТЕМЕ Ш&аАвР. ОСОБЕННОСТИ СЕЛЕКТИВНОГО ЗАРЫВАНИЯ ГЕТЕРОСТРУКТУР ГАЗОФАЗОВОЙ ЭПИТАКСИЕЙ

3.1. Фазовые равновесия в системе 1п-@а-А&-Р

3.2. Особенности кристаллизации при жидкофазовой эпитаксии с учетом кинетических эффектов

3.3. Исследования коэффициентов термического расширения в гетероструктурах 1пСаАзР/1пР.

3.4. Особенности получения зарощенных мезаполосковых структур.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ ГЕТЕРОЛАЗЕРНЫХ

СТРУКТУР 1п@аДБР/1пР.

4.1. Влияние взаимного положения р-п-перехода и гетеро-границ на люминесцентные свойства двойных гетеро-структур 1п(3-аАзР/1пР.

4.2. Влияние безызлучательной рекомбинации на характеристики лазерных диодов.

4.3. Выводы.

ГЛАВА 5. СВОЙСТВА И ПАРАМЕТРЫ ГЕТЕР0ЛАЗЕР0В ШаАяРДпР

С 1,3 мкм.

5.1. Гетвролазвры с широким контактом. . •

5.2. Имплантационные полосковые лазеры.

5.3. Полосковые гетеролазеры, полученные гибридной технологией.

5.4. Выводы.

Из-за различия в ширине запрещенных зон контактирующих материалов гетеропереходы в отличие от гомопереходов обладают рядом уникальных свойств, в частности - односторонняя инжекция, сверх-инжекция, эффект "широкозонного окна", что способствует их применению в различного рода оптоэлектронных приборах; Известно, что эффективная работа гетероперехода требует низкую плотность состояний на гетерогранице, что в свою очередь требует согласования постоянных решеток между контактирующими материалами на гетерогранице • Применение "идеальных" гетеропереходов Ай ба-ц^^АЗ- позволило резко снизить пороговые токи и реализовать непрерывный режим генерации полупроводникового лазера при комнатной температуре [68А1, 70А1] • Однако» за исключением гетероструктур ва^А^^ -0-аАз при выращивании тройных твердых растворов на основе сое дине-вий А3В5 на соответствующих бинарны, подшш* возникают серьезные проблемы, связанные с несовпадением постоянных решеток слоя и подложки, Требование создания "идеальных" гетероструктур для новых, практически любых длин волн, стимулировало поиск новых материалов. Использование принципа изопериодического замещения, предложенного в [71А1], показало направление решения указанной задачи. Добавление четвертого компонента в твердый раствор позволяет изменять, в частности, ширину его запрещенной зоны, сохраняя неизменной постоянную решетки, которая обычно равна постоянной решетки бинарной подложки, на которой выращивают эти твердые растворы. Среди множества известных и исследуемых в настоящее время многокомпонентных твердых растворов значительное внимание уделяется изопериоди-ческим гетероструктурам поскольку светоизлучающие и фотоприемные приборы на их основе с успехом могут быть применимы в системах волоконных оптических линиях связи. Первые сообщения, посвященные созданию на этих гетероструктурах фотоприемников и лазеров, относятся к 1973-1974 г.г. [74Б1]. С этого времени число публикаций, касающихся технологии получения и исследования свойств твердых растворов ахАь хуРу и приборов на их основе, стало лавинообразно возрастать.

Основной метод получения эффективных излучателей на гетероструктурах в настоящее время - жидкофазовая эпитаксия. Этим объясняется интерес к исследованию фазовых равновесий системы 1п-(»а-Аз-Р. Однако в литературе существует значительное расхождение экспериментальных и расчетных данных по фазовым равновесиям в области низких температур - 600-650°С - типичных для проведения эпитакси-ального процесса. Отсутствует или имеется крайне ограниченная информация о зависимости различия коэффициентов термического расширения твердых растворов ^^Фа^^уРу и 1пР-подложки от состава в широком температурном диапазоне, о влиянии технологии получения на люминесцентные свойства гетероструктур - 1пР, в частности - на величину внутреннего квантового выхода люминесценции в материале активной области гетероструктур, о связи внутреннего квантового выхода с пороговыми токами гетеролазеров. Стремление улучшить параметры гетеролазеров приводит к усложнению процесса их получения. В ряде случаев требуется проведение двух процессов жидкофазовой эпитаксии в сочетании с фотолитографическим процессом между ними, В литературе практически отсутствуют сведения о высокопроизводительной гибридной технологии - сочетании разных методов получения гетероструктур для изготовления низкопороговых полупроводниковых лазеров. Поэтому решение этих и ряда других задач, полученных в данной работе, позволяет считать её актуальной как с научной, так и с пратической точек зрения.

Основной целью работы являлась разработка и исследование свойств гетероструктур Зл^в^Аз-^уРуДпР для получения низкопороговых лазеров с широким контактом и лазеров полосковых конструкций непрерывного действия при комнатной температуре, излучающих на длине волны 1,3 мкм и пригодных для использования в системах волоконно-оптической связи.

Достижение поставленной цели распадалось на решение следующих основных задач:

1. Исследование фазовой диаграммы системы 1п-0а-А2-Р, отработка технологии получения твердых растворов Зл^^ба^ 1уРу»изо-периодических с 1пР, и гетероструктур на их основе;

2. Исследование свойств твердых растворов Хп-^ба^-^уРу и излучательных характеристик гетеролазеров;

3. Разработка методики получения полосковых гетеролазеров сочетанием жидкофазовой и газофазовой эпитаксий.

Диссертационная работа состоит из пяти глав.

В первой главе приведен литературный обзор методов получения твердых растворов 1п-^Оа^-Аз 1уРу и гетеролазеров на их основе. Рассмотрены особенности расчета фазовых диаграмм в многокомпонентных системах. Приводятся данные по электрофизическим свойствам твердых растворов и характеристикам излучающих приборов.

Во второй главе описываются разработанные экспериментально методики получения эпитаксиалъных слоев 1пР и твердых растворов яВДкофазовой и газофазовой эпитаксией. Рассматривается сочетание обоих типов эпитаксий для получения гетеролазеров полосковой конструкции. Описываются методики измерений ряда свойств и параметров твердых растворов 1п2х0-ахАз 1у£у и гетеролазеров на их основе.

В третьей главе приведены расчетные и экспериментальные данные по фазовым равновесиям в системе 1п-£а-Аг-Р на основе теории простых растворов в квазирегулярном приближении для жидкой и твердой фаз. Экспериментально определено различие коэффициентов термического расширения слоя и подложки в исследуемых гетероструктурах. Описаны особенности процесса заращивания мезаполосковой гетеро-структуры, используя эпитаксию из газовой фазы.

В четвертой главе рассматриваются люминесцентные свойства ге-теролазерных структур. Исследовано влияние расположения р-п-пере-хода и гетерограницы, а также влияние безызлучательной рекомбинации на люминесцентные свойства и характерстики лазерных диодов.

В пятой главе описаны основные характеристики полученных ге-теролазеров - как с широким контактом, так и полосковой геометрии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. На основе термодинамического анализа фазовых равновесий в системе In-Ga-As-P показано, что удовлетворительное согласие расчета и эксперимента получается при использовании теории простых растворов в квазирегулярном приближении для жидкой и твердой фаз. Установлены составы жидкой фазы, которым соответствуют твердые растворы In-^Ga^s 1-у^у' изопеРи°Дические с 1пР, во всем диапазоне составов. Использование уточненных параметров взаимодействия в жидкой и твердой фазах позволило получить удовлетворительное согласие между расчетом и экспериментом.

2. Учет кинетических явлений при жидкофазовой эпитаксии, основанный на представлении о диффузионном массопереносе в жидкой и твердой фазах, дает лучшее согласие расчета и эксперимента по сравнению с расчетом, основанном только на представлениях равновесной термодинамики.

3. Различие КТР твердых растворов InjxG a^s iyPy и подложки InP (Act) в диапазоне температур 300 - 920 К описывается квадратичной функцией состава АсС= (1,346у - 0,2673т2) град"*.

4. Для устранения в лазерных двойных гетероструктурах (ДГС) 1П|х(>ахА5|уРу/111Р переходных слоев, которые оказывают существенное влияние на люминесцентные свойства получаемых лазеров, необходимо использовать кассеты поршневого типа, вместо кассет сдвигового типа.

5» Величина внутреннего квантового выхода излучательной рекомбинации в материале активной области лазерных ДГС 1^х0ахАз 1уРу/ 1пР оказывает определяющее влияние на пороговую плотность тока лазеров при комнатной температуре. Показано влияние технологии изготовления ДГС на процессы излучательной и безызлучательной рекомбинации.

6. Разработана гибридная технология изготовления зарощенных полосковых лазеров непрерывного действия при комнатной температуре, включающая формирование гетеролазерной структуры методом жид-кофазовой эпитаксии (ЖФЭ), вытравливание мезаполосок и планарное заращивание вскрытых участков подложки слоем 1пР методом газофазовой эпитаксии (ГФЭ).

7. Показана принципиальная возможность получения зарощенных полосковых гетероструктур 1п ^ба^-Ав2уРу/1пР гибридной технологией с шириной полоска I мкм и менее.

8. Для достижения непрерывного режима генерации при комнатной температуре разработаны полосковые лазеры с К =1,3 мкм различных конструкций: - имплантационные лазеры с пороговыми токами 60-100 мА и дифференциальной квантовой эффективностью ^ до 60$ через обе резонаторные грани; - лазеры,полученные гибридной технологией: а) ЖФЭ + ГФЭ (хлорид-гидридный метод) 1ПОр=150 мА, = 14$, б) ЖФЭ + ГФЭ (хлоридный метод) 1пор= 100-120 мА, 18$, в) ЖФЭ + ГФЭ (из металлоорганических соединений) 1ПОр=30 мА, ^(¿=24$.

Наблюдалась линейность ватт-амперной характеристики и одно-модовый режим генерации до токов I = 3*1ПОр.

Работа выполнена в лаборатории контактных явлений в полупроводниках Ордена Ленина Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе АН СССР.

Основные результаты диссертационной работы следующие:

1. Проведен термодинамический анализ фазовых равновесий системы 1п-&а-АБ-Р. Показано, что, используя систему взаимосогласованных термодинамических параметров и модель простых растворов в квазирегулярном приближении, можно добиться удовлетворительного согласия расчетных и экспериментальных данных при температурах роста 650°С. Определены составы жидкой фазы, которым соответствует ТР 1п&аАзР, изопериодический с 1пР, во всем диапазоне составов.

2. Учет кинетических явлений при ЖФЭ дает лучшее согласие расчета и эксперимента по сравнению с расчетом, основанном только на представлениях равновесной термодинамики.

3. Определено различие КТР ТР 1пСаАзР и 1пР подложки во всем диапазоне составов в температурном интервале 77-920 К. Показано, что в интервале температур 300-920 К различие КТР описывается выражением ЛЖ=(1,346у - 0,267у^)»10~^град~*, где у - мольная доля мышьяка в ТР 1п6аА£Р.

4. Разработана методика изготовления лазерных ДГС 1п0аА&Р/1пР методом ЖФЭ с использованием кассет как сдвигового, так и поршневого типов. Показано, что кассеты поршневого типа позволяют избавиться от неконтролируемого перетаскивания расплавов и, как следствие, от возникновения переходных слоев, которые, как правило, присутствуют в гетероструктурах, полученных в кассетах сдвигового типа, и сильно влияют на пороговые токи лазеров.

5. Показано, что в зависимости от технологических условий выращивания уменьшение внешнего квантового выхода в ДГС 1пСаА&Р/1пР может быть обусловлено либо смещением р-п-перехода в один из 1пР-эмиттеров, либо безызлучательной рекомбинацией в их активной области.

6. Показано, что величина fyl в материале активной области ДГС InG-aAsP/InP, зависящая от технологических режимов выращивания гетероструктуры, оказывает определяющее влияние при 300 К на значения пороговых токов генерации.

7. Разработана гибридная технология получения зарощенных ме-заполосковых лазеров, включающая формирование гетеролазерной структуры методом ЖФЭ, вытравливание мезаполосок и планарное зара-щивание ГФЭ вскрытых участков подложки высокоомным слоем 1пР.

8. Показана принципиальная возможность получения зарощенных мезаполосковых гетероструктур InSaAsP/InP гибридной технологией с шириной полоска I мкм и менее.

9. Для достижения непрерывного режима генерации при комнатной температуре разработаны полосковые лазеры с Я = 1,3 мкм различных конструкций:

- имплантационные лазеры с 1ПОр = 60-100 мА и до 60$ через обе резонаторные грани (впервые в СССР в таких лазерах получен непрерывный режим генерации при 300 К),

- лазеры, полученные гибридной технологией: а) ЖФЭ + ГФЭ (хлорид-гидридный метод) 1ПОр = 150 мА, 14$, б) ЖФЭ + ГФЭ (хлоридный метод) 1пор = 100-120 мА, ^ = 18$, в) ЖФЭ + ГФЭ из металлоорганических соединений 1ПОр = 30 мА,

24$.

Наблюдалась линейность ватт-амперной характеристики и одно-модовый режим генерации до токов1=3*1ЦОр.

В заключение приношу, глубокую благодарность академику Ж.И. Алферову за постоянное внимание и интерес к работе, моим научным руководителям А.Т.Гореленку и В.И.Королькову за помощь и постоянное внимание к работе.

Я искренне благодарен своим коллегам П.П.Москвину, В.С.Сорокину, И.С.Тарасову, Д.З.Гарбузову, В.ПЛалому, М.К.Трукану, Н.А.Берту, С.Г.Конникову, В.Е.Уманскому, Н.Д.Ильинской, И.А.Мокиной, В.Н.Мдивани, И.Н.Цыпленкову, А.И.Иванютину, В.В.Мамутину, К.А.Гацоеву, В.Г.Груздову, А.Овчинникову, В.К.Тибилову, Б.В.Цушному за творческую атмосферу и плодотворные дискуссии, а также всему коллективу сотрудников лаборатории контактных явлений в полупроводниках, деловая атмосфера которого благотворно влияла на автора. Я благодарен также В.И.Ильиной и Р.В.Золотаревой за большую помощь, оказанную при оформлении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИМЫ ДИССЕРТАЩИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Ж.И.Алферов, А.Т.Гореленок, В.И.Колышкин, П.С.Копьев, И.С.Тарасов, В.Н.Мдивани, В.К.Тибилов, A.C.Усиков. "Инжекционные гетеролазеры в системе InßaAsP/InP с длиной волны излучения

1,3 - 1,5 мкм". Письма в ЖТФ, 1978 г., т.4, вып.22, стр. 1329 -1333.

2. А.Т.Гореленок, И.С.Тарасов, A.C.Усиков. "Обнаружение поляризации электролюминесценции JL = 1,3 мкм в гетероструктурах, InGaA-SP/InP, обусловленной внутренней деформацией". Письма в ЖТФ, 1981 г., т.7, вып.8, стр. 452 - 456.

3. Н.А.Берт, А.Т.Гореленок, С.Г .Конников, В.Е.Уманский,

A.С.Усиков. "Экспериментальное определение различия коэффициентов термического расширения в гетероструктурах Inj^Ga^sjyPy jjjp«

ЖТФ, 1981 г., т.ZV, стр. 1018 - 1020.

4. Д.З.Гарбузов, А.Т.Гореленок, М.К.Трукан, А.С.Усиков,

B.П.Чалый. "Эффективность и кинетика электролюминесценции двойных InGaAjsP - гетероструктур". ФТП, 1981 г., т.15, стр. 504 - 511.

5. Д.З.Гарбузов, А.Т.Гореленок, В.П.Чалый, А.С.Усиков. "Влияние безызлучательной рекомбинации на лазерные характеристики InGaAsP - гетероструктур". ФТП, 1981 г., т.15, стр. 902 - 906.

6. А.Т.Гореленок, В.Н.Мдивани, П.П.Москвин, В.С.Сорокин, А.С.Усиков. "Исследование фазовых равновесий в системе In-Ga-AS-P", ЖФХ, 1982 г., t.Z.W, вып. 10, стр. 2416 - 2421.

7. A.T.Gorelenok, V.U.Mdivani, P.P.Moskvin, V.S.Sorokon, A.S.Usikov "Phase equilibria in the In-Ga-As-P system", J.Cryst. Growth, 1982, v.60, p.355.

8. Н.А.Берт, А.Т.Гореленок, А.Г.Дзигасов, С.Г.Конников,

Б.Н.Мдивани, И.С.Тарасов, А.С.Усиков. "Определение упругих напряжений и величин несоответствия параметров решеток в гетерострук-турах InGaAsP/InP по поляризации люминесценции". ФТП, 1982 г., т.16, вып.1, стр. 60 - 68.

9. Ж.И.Алферов, М.Г.Васильев, Е.В.Голикова, А.Т.Гореленок, Л.А.Иванютин, Н.Д.Ильинская, Г.А.Синицина, И.С.Тарасов, А.С.Усиков, И.Н.Цыпленков, В.И.Швейкин. "Полосковые зарощенные гетеролазеры непрерывного действия на основе InGaAsP/InP, полученные комбинацией жидкофазовой и газофазовой эпитаксий". Письма в ЖТФ, 1982 г., т.8, вып.II, стр. 680 - 684.

10. А.Т.Гореленок, П.П.Москвин, В,С.Сорокин, А.С.Усиков. "Особенности получения гетероструктур InGaAsP/InP с учетом кинетических эффектов". Тезисы докладов Ш Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах, 1982 г., т.III, стр. 4-6, г.Одесса.

11. Ж.И.Алферов, М.Г.Васильев, А.Т.Гореленок, В.Г.Груздов, Л.А.Иванютин, Н.Д.Ильинская, И.С.Тарасов, А.С .Усиков, И.Н.Цыпленков, А.А.Шелякин. "Полосковые зарощенные гетеролазеры на основе InGaAsP/InP X = I ,3 - 1,5 мкм, полученные гибридной технологией". Тезисы докладов III Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах", 1982 г., т.II, стр.

26 - 28.

12. М.Г.Васильев, А.А.Гвоздев, А.Т.Гореленок, Ю.В.Гуляев, В.Ф.Дворянкин, В.П.Дураев, П.Г.Елисеев, В.В.Кожин, Е.Т.Неделин, Г.А.Синицина, И.С.Тарасов, А.А.Телегин, А.С.Усиков, В.И.Швейкин, А.А.Шелякин. "Низкопороговые полосковые зарощенные гетеролазеры на основе InGaAsP/InP Я = 1,3 мкм, полученные гибридной технологией". ЖТФ, 1983 г., т.7, стр. 1431 - 1414.

- №

ЗАКЛЮЧЕНИЕ '

1. B.Straugham, P.J.Tufton. Indium phosphide. J.Eleotrochem. Soc., 1973, r.120, H 12, p.1741-1749.74A1 Astlers M.

2. E layers grown by superoooling, step-cooling, equilibrium-cooling and two-phase solution technique. J.Cryst. Growth, 1974, v. 7, p.49-61.74C2 Straughan B.W., Hurle D.T.J., Lloyd R., Mullin J.B.

3. J.Vac.Sci.Teohnol., 1976, v.13, N 4, p.932. 76C2 J.J.Hsieh. Room-temperature operation of GalnAs PI InPdouble heterostructures diodes lasers emitting at 1.1 um.

4. Ga As P/ In P buried-heterostructure lasers ( =1.5 um) with chemically etched mirrors. J.Appl.Phys.1981, v.52, N 9, p.5843-5845.81A2 Arai S., Asada M., Tanlun , Y.Suematsu , Y.Itaya,

5. Epitaxial Layers on INP Substrates.

6. Phys.status solidi (a), 1982, 70, N 1 p.277-286.82K2 Kusunoki T., Akita K., Komiya S., Y.Nishitani Y.

7. GalnAsP/InP "buried heterostruoture lasers fabricated by hybrid combination of liquid and vapour-phase epitaxy-Electron. Lett , 1982, v.18, N 5, p.237-238. 82M3 Mito I., Kitamura M., Kobayashi H., Kolayashi K.